CN103180794A

CN103180794A - 三维扫描束***和方法

Info

Publication number: CN103180794A
Application number: CN2010800690242A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·博塞; 罗伯托·兹洛特
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2030-07-26
Also published as: KR101698939B1; CN103180794B; US9146315B2; US20130120736A1; JP2013540985A; AU2016205004A1; AU2016205004B2; EP2598964A1; ZA201300646B; AU2010358358A1; KR20130037722A; WO2012012819A1; EP2598964A4

Abstract

一种三维扫描束***（100）和方法（500）能够对环境进行经济有效的三维扫描。所述***（100）包括测距设备（105）、以及具有第一端（115）和第二端（120）的反应式连杆机构（110）。第一端（115）连接至测距设备（105），并且第二端（120）连接至使所述***（100）在环境中移动的物体（125）。在使用中，所述物体（125）相对于环境的加速由反应式连杆机构（110）转换成测距设备（105）相对于物体（125）的运动，这增大了测距设备（105）相对于环境的视场。

Description

三维扫描束***和方法

技术领域

本发明通常涉及扫描束***。具体而言，尽管并不排他，本发明涉及使用反应式连杆机构进行三维（3D）扫描的***和方法。

背景技术

在没有先验映射的环境中进行操作的车辆、人员或机器人通常必须构造映射，以便工作和适应其工作环境，或者为终端用户提供精确的模型。映射和定位（包括同时定位和映射（SLAM））是移动机器人中存在的基本问题，并且包括以下情景：对于其姿态无已知映射或精确测量的移动物体必须对二者作出估计和保持。

物体的姿态是指其空间上的位置和定向。对于移动任务（例如，机器人导航、映射以及规划）而言，确切地了解移动物体的姿态，通常较为重要。具体地众所周知的是，在某些环境下，传统的导航***不能进行操作或者不切实际。例如，在诸如建筑物内部、在地下矿场内、或者在深水区内等环境中，基于卫星的全球定位***（GPS）技术和基于蜂窝的定位技术通常不起作用。如果不能获得这种环境的详细映射，那么在该环境中进行操作中的车辆、人员或机器人可能需要依靠替代的导航***，例如，SLAM***，所述***可包括惯性测量单元（IMU）或其他传感器，以用于确定位置和定向。

3D扫描束***可提供用于映射和/或定位应用中的数据。通常，这种***包括活动的（active）、动力连杆机构，所述动力连杆机构使传感器在多个自由度中移动，有效地增加了传感器的视场，以便获得3D扫描。例如，某些***可包括输出一维束的激光测距设备。如果测距设备安装至动力多自由度连杆或动力常平架机构中，那么能够使激光重复地扫描通过三维空间，例如，车辆前面的空间。然后从该设备中收集的数据可用于限定3D“点云”，其有效地限定了环境的图像或映射。其他测距设备可包括二维（2D）激光扫描器，所述2D激光扫描器围绕中心轴线旋转，或当固定到车辆中时，在第三维内移动，以便限定3D点云。此外，3D闪光灯检测和测距（LIDAR）设备可包含并联的多个探测器，以便生成3D测距数据。

在很多情况下，3D扫描束***刚性地安装至车辆或机器人中，并且相对于该车辆或机器人的定向，连续地扫描特定的区域。然后，所收集的数据可用于映射和/或定位应用或用于更多基本的物体探测和场景认知目的中。然而，在某些情况下，该扫描束***附接于其上的车辆或机器人的振动或颠簸会导致在刚性安装的扫描束***中引起误差。因此，已经设计了复杂的振动隔离和稳定***，以便有效地防止3D扫描束***出现不期望的振动或移动。

在某些应用中，为了增大扫描传感器的视场以便有效地扫描三维区域所必需的硬件可为非常复杂并且昂贵的。因此，需要一种改进的3D扫描束***和方法。

发明目的

本发明的一些实施例的目的在于，为客户提供改进和优于上述现有技术的优点，和/或克服并且缓解现有技术的一个或多个上述缺点，和/或提供一种有用的商业选择。

发明内容

因此，在一种形式中，本发明为一种三维扫描束***，包括：

测距设备；以及

反应式连杆机构，其具有第一端和第二端，其中，第一端与测距设备连接，并且第二端与使所述***在环境中移动的物体连接；

其中，在使用中，所述物体相对于环境的加速通过反应式连杆机构转换成测距设备相对于物体的运动，这增大了测距设备相对于环境的视场。

可选地，所述***进一步包括附接至测距设备的定向传感器。

可选地，所述***进一步包括与测距设备操作地耦接的计算机***，其中，所述计算机包括计算机可读介质，所述计算机可读介质存储限定配准算法的程序代码元件，并且其中，所述配准算法处理来自测距设备的数据，以便限定环境的3D点云。

可选地，所述测距设备包括激光器。

可选地，所述激光器包括二维扫描束激光器。

可选地，所述3D点云被实时地限定。

可选地，所述测距设备发送和接收至少一种以下类型的信号：光信号、声信号、超声波信号、射频信号、伽玛辐射信号、微波信号。

可选地，所述反应式连杆机构包括弹簧。

可选地，所述定向传感器包括惯性测量单元（IMU）。

可选地，所述反应式连杆机构的第一端与测距设备之间的连接为流体耦接。

根据另一种形式，本发明为用于获得环境的三维扫描的方法，所述方法包括：

将测距设备连接至反应式连杆机构的第一端；

将反应式连杆机构的第二端连接至物体；

使所述物体在环境中移动，其中，所述物体的加速被所述反应式连杆机构转换成所述测距设备相对于所述物体的运动，这增大了所述测距设备相对于环境的视场；以及

由所述测距设备获得限定环境的三维扫描的数据。

可选地，所述方法进一步包括：

将计算机***操作地耦接至所述测距设备，其中，所述计算机***包括计算机可读介质，该计算机可读介质存储限定配准算法的程序代码元件；以及

使用所述计算机***处理数据，从而所述配准算法限定所述环境的3D点云。

通过以下的详细描述，本发明的其他特征和优点显而易见。

附图说明

为了便于理解本发明并且能够使本领域的技术人员进行有效的实践，下面将参看附图仅以举例的方式描述本发明的优选实施例，其中：

图1为示出了根据本发明的一个实施例的3D扫描束***的侧视图的示意图。

图2为示出了连接至汽车的前端的图1***的侧视图的示意图。

图3为示出了连接至施工安全帽的顶部的图1***的侧视图的示意图。

图4为示出了根据本发明的一些实施例的扫描器相对于环境内的表面进行的平移运动的视图。

图5为示出了根据本发明的一个实施例的获得环境的三维扫描的方法的一般流程图。

图6为示出了根据本发明的一些实施例的包括用于限定3D点云的计算机***的***元件的框图。

图7为示出了根据本发明另一个实施例的3D扫描束***的侧视图的示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种3D扫描束***和方法。通过将所述***附接至物体（例如，车辆、机器人、人或动物），能够经济可靠地获得环境的三维扫描。然后，来自于3D扫描的数据可用于各种用途中，例如，物体检测、接近检测、映射、定位、或碰撞躲避。

在本专利说明书内，诸如第一和第二、左和右、顶部和底部等形容词仅仅用于相对于另一个部件或方法步骤限定一个部件或方法步骤，不必要求这些形容词所描述的特定相对位置或顺序。诸如“含有”或“包括”等词语不是用于限定排他的一组部件或方法步骤。相反的，这种词语仅仅限定包括在本发明的一个特定实施例内的最小组的部件或方法步骤。

参看图1，示意图示出了根据本发明的一个实施例的3D扫描束***100的侧视图。***100包括2D激光束扫描器105形式的测距设备、以及盘簧110形式的反应式连杆机构。盘簧110的第一端115连接至2D激光束扫描器105。盘簧110的第二端120连接至物体125。然后，反应式连杆机构将物体125的平移加速（如箭头130所示）转换成2D激光束扫描器105的旋转运动（如箭头135所示）。

2D激光束扫描器105因此能够显著增大其视场，并且以3D扫描物体125前面的环境。不需要独立供电的常平架机构或其他独立的激励源来产生2D激光束扫描器105的旋转运动。因此，在使用测距设备扫描环境所需要的硬件受成本或空间约束的限制时，***100可经济有效地运行。

根据本发明的某些实施例，可选的定向传感器（诸如惯性测量单元（IMU）145、照相机、磁力计或其他装置等）可附接至测距设备。在需要限定测距设备的位置或定向的数据的应用中，这样一种定向传感器能参与处理来自测距设备的数据。

参看图2，示意图示出了连接至汽车200的前端的***100的侧视图。因此物体125由汽车200代替。汽车200的平移加速被转换成2D激光束扫描器105的旋转运动，能够以3D扫描汽车200前面的区域。汽车200在正常使用期间自然发生的其他加速，例如，颠簸（即，上下）加速和转向加速能参与激励2D激光束扫描器105的旋转运动。本领域的技术人员会理解的是，施加于物体125的力和扭矩会引起扫描器105相对于物体125的运动（主要为旋转运动，但是也有小幅平移运动）。结果为扫描器105相对于正在扫描的环境的放大运动。

2D激光束扫描器（诸如扫描器105）是商业上可广泛获得的，或者可使用商业上可获得的元件容易地制造这种扫描器。例如，扫描器105可包括由SICK AG制造的光探测和测距（LIDAR）激光测量传感器（LMS）模型291。或者，可使用各种其他类型的测距设备，包括例如使用各种类型辐射或信号（例如光信号、声信号、超声波信号、射频（RF）信号、伽玛辐射信号、或微波信号）的测距设备。所述辐射或信号能够用于多种测距技术中，包括例如飞行时间（TOF）、调频连续波（FMCW）、三角测量和相移测距技术。而且，根据本发明的测距设备不需要进行2D扫描，而是例如可为简单的一维束测距设备。所述一维束测距设备的旋转也能够提供环境的有效3D扫描。

根据本发明的一些实施例，反应式连杆机构也可包括各种商业上可获得的现成（COTS）产品或定制的产品。例如，盘簧110可包括由各种材料（包括聚合物和金属合金）制成的各种盘簧。而且，反应式连杆机构可包括其他部件，例如，与测距设备连接的多个弹簧或类似弹簧的材料。本领域的普通技术人员会理解的是，并且根据本公开，各种其他类型的弹性连接机构（包括例如简单的弹性杆、膨胀气球、海绵、橡胶等等）均可用于提供反应式连杆机构，所述反应式连杆机构将物体的加速转换成测距设备的运动。

而且，本领域的技术人员会理解的是，根据本发明的反应式连杆机构还可用作将扫描器105与物体125的高频运动隔离开的无源机械过滤器。可对反应式连杆机构（例如弹簧110）进行调谐，以便既以特定的频率谐振从而满足应用要求，又抑制可能成问题的高频运动。例如，某些高频运动可使得通过配准算法进行的处理复杂化，或者可对扫描器105造成损坏。

而且，可对反应式连杆机构进行调谐，从而根据与硬件相关的时间常数，加长扫描器105的脉冲响应；在物体125已经停止移动之后，有效地使得扫描器105能够继续移动一段时间。因此，反应式连杆机构能够存储能量（例如，机械能或重力能）并且随着时间的过去而缓慢地释放。

反应式连杆机构的其他实施例可包括减震器或适用于该机构的其他物理活动范围限制器。这可用于例如将扫描器105的视场限制为具体应用的兴趣范围。

参看图3，示意图示出了连接至施工安全帽300的顶部的***100的侧视图。根据这个实施例，在工人戴着安全帽300时，步行时其头部进行点头或进行其他自然运动时，可足以激励2D激光束扫描器105进行旋转运动。因此该***100可用于有效地扫描直接位于工人前面的工作地点，例如，建筑物内部、地下矿场内、或各种其他环境中。

图3中所示的***100可设计成使用非常少的功率，因为不需要任何电机或其他动力机构激励测距设备的扫描或旋转运动。因此，仅需要较低功率的电池为测距设备提供动力以便将功率提供给例如测距设备的固态电路。

本发明的一些实施例可用于为计算机***提供扫描数据。然后计算机***可使用配准算法处理所述数据以便限定3D点云。本领域的普通技术人员了解的是，这种3D点云能够用于各种映射和/或定位应用或成像应用中。

因此诸如***100等***可用于各种应用中。例如，在映射领域中，***100可安装在移动平台上，例如，车辆、推车、人类或动物，并且可用于获得环境的3D图。在机器人应用中，***100可用于地形映射或一般场景识别。如图3中所示，本发明的各种轻质实施例可用作导航目的的可佩戴或手持式装置。例如，诸如警察、消防人员或军事人员等第一出动人员能够在已经映射的建筑物内部使用***100。然后，来自于***100的数据中产生的局部获取的地图与现有的全局图可实时地进行比较，以便定位和协助第一出动人。在远程环境（例如，地下矿场或水下环境）中，使用机器人或其他车辆可实现相似的定位和映射功能。

在Michael Bosse和Robert Zlot的论文中提供了可与本发明结合使用的配准算法的一个实例，“Continuous3D Scan-Matching with a2DSpinning Laser（通过2D自旋激光器进行的连续3D扫描匹配）”，Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics andAutomation（机器人和自动化IEEE国际会议汇编），第4312-4319页，日本神户，2009年5月12-17日，该论文之全文以引用的方式并入本文中。下面总结了这种配准算法如何运行。

例如，对于图3中所示的与安全帽300连接的***100，戴着安全帽300的人移动时，通过弹簧110激励运动。扫描器105因此旋转通过额外的自由度和更广的视场，从而在普通2D扫描平面的外部进行测量并且提供周围环境的3D测量。然而，最初扫描器运动的确切属性可能是未知的。人们可使用来自于与激光扫描器105刚性地连接的IMU145的数据对扫描器105的旋转运动作出估计；但是平移运动可能完全是未知的。配准算法能恢复平移运动，对旋转运动估计进行校正，并且额外地进行定时同步。

参看图4，视图示出了根据本发明的一些实施例的扫描器105相对于环境内的表面z₁和z₂进行的平移运动。如图所示，假设扫描器105在时间t₁时位于第一位置处并且在时间t₂时位于第二位置处。在使用配准算法对***100所获得的数据进行处理之前，并不确切地知晓扫描器105在时间t₁和t₂时的姿态（即，位置和定向）（虽然例如基于来自于IMU145的数据可了解位置的某些估计）。如图所示，表面z₁和z₂表示在第一和第二位置处均由扫描器105的束140测量的环境内的表面。配准算法的第一步骤为执行数据相关，其确定扫描器105实际上在确定表面z₁和z₂的两个位置处看见共同的特征。然后，形成约束条件H的***，该约束条件使特征匹配和施加给扫描器105的姿态的校正x相联系。本领域的普通技术人员会理解的是，图4仅仅显示了姿态和匹配的子集；然而，一个实际的实施例通常考虑扫描器105更长的轨迹以及一整套距离测量。

配准算法可将先前的轨迹（例如，仅仅包含取自于IMU145的定向估计）和一组范围扫描用作输入。使用先前的轨迹，人们可将扫描点（即，距离测量）投射到未配准的（即，通常对准较差的）3D点云内。轨迹可限定为扫描器105的原点的位置和定向（在六个自由度内（DOF）内-三个位置自由度和三个旋转自由度）的连续时间历史。在六个DOF内限定用于三维刚性本体的姿态。因此，可将轨迹限定为函数T(τ)，其针对扫描器105的扫描持续时间中的每个时间τ相对于地面坐标框架规定扫描器105的六个DOF姿态。

然后，将环境的工作空间离散化为单元或“体素”（体积元素）的3D网格，并且根据落在每个体素边界内的这组扫描点，为每个体素计算统计值。为了解决环境和边界效应的非均匀采样，通过多个分辨率和偏移计算3D网格。为给定体素计算的统计值限定了椭圆体，其使用一阶矩和二阶矩μ，S与这些点相符，所述一阶矩和二阶矩描述与点p_i相符的椭圆体的参数：

μ = \frac{1}{N} Σ_{i = 1}^{N} p_{i}

（等式1）

S = \frac{1}{N} Σ_{i = 1}^{N} (p_{i} p_{i}^{T}) - {μμ}^{T}

（等式2）

通过其矩心（即，中间位置）和限定该形状的一组坐标轴线以及量值（其可由二阶矩矩阵S的特征值-特征向量分解来计算）可概述椭圆体。该形状另外可由形状参数概述，所述形状参数描述了基于所计算的特征值的分布的平面、圆柱形、或球形的程度。平面进一步与其法线相关（特征向量与最小的特征值对应），而圆柱体可与其轴线相关（特征向量与最大的特征值对应）。

假设二阶矩矩阵S所选的特征值λ₁≤λ₂≤λ₃，那么数量：

c = \frac{λ 3 - λ 2}{λ 1 + λ 2 + λ 3}

（等式3）

为从0到1的范围内的点的类圆柱体。同样地，数量：

p = 2 \frac{λ 2 - λ 1}{λ 1 + λ 2 + λ 3}

（等式4）

为从0到1的范围内的点的类平面。

然后，迭代优化算法用于估算传感器轨迹并且与点云配准，以便产生精确的3D图。每次迭代时，给出输入轨迹估算值，并且进一步校正该估算值，以便产生改进的输出轨迹估算值，然后，该输出轨迹估算值可用作下一次迭代的输入。第一迭代使用从旋转运动中生成的先前的估算值，其由IMU145估计。配准算法能够以固定的间隔（例如，每秒一次）用于轨迹的区段中，以便当从测距设备中获取最近的数据时，将其与定向传感器配准。通过以此方式累积配准的轨迹区段（并且在它们之间保持连续性约束条件），可逐渐地获得整个轨迹。

配准用作约束条件的线性***的最小化问题。为了形成这种***，必须通过以规定间隔对轨迹取样而将轨迹离散化。在考虑到离散解的情况下，插值法随后可用于形成连续的轨迹。优化解决了对轨迹进行的校正，产生最佳解释测距数据的平滑轨迹。

该算法在轨迹的固定大小的、重叠时间段上依次进行操作。例如，处理第一秒数据，并且然后处理下一秒数据（其与第一秒数据部分重叠）。

在配准算法的每次迭代中，生成一组约束条件，其中，每个约束条件为三种类型中的一种。第一种类型包括平滑约束条件，其包括扫描器105（以及因此与扫描器105连接的物体）可如何基于平滑运动假设（即，逐渐加速限制）等物理因素移动的模型。第二种约束条件包括初始条件约束，其确保现有的轨迹段为先前区段的连续（即，应将当前区段的起始约束为与先前区段的末端匹配）。

第三种约束条件包括匹配约束条件，其考虑了外部环境的激光测量。然后识别出相关对的体素，将这些体素估计为源自在不同时间下测得的环境中的同一个目标的匹配。这些目标例如可为由其位置和形状参数化表示的体素。这种匹配生成轨迹点上的约束条件，以使得为了沿着轨迹在不同的已知时间下获得环境的特定测量而必须以特定的方式约束所述轨迹。例如，假设在不同的时间做出同一个目标的两个测量，但是并不精确地了解获得每个测量的时间时的扫描器105的传感器姿态。由于所测得的目标应为大约共同定位和对准的，所以一个识别的体素匹配限制这两个传感器姿态（相对于彼此）；因此，所述测量不能来自于两个任意对准的传感器姿态。

使用k最近邻（kNN）搜索而确定匹配，其假设包含表示体素的空间内的点识别出该空间内的k最近点。用于kNN搜索的空间为9维空间，该空间结合每个体素的位置和形状信息。在已知这些候选匹配的情况下，根据形状参数（平面、圆柱形、球形）可生成并加权匹配约束条件。平面约束条件是指沿着平面法线所测量的矩心之间的距离以及法线对准时的差值应最小化。圆柱形约束条件表示远离圆柱轴的矩心之间的距离以及轴线对准时的差值应最小化。球形约束条件表示矩心之间的距离应最小化。

在每次迭代时，可堆叠三种约束条件，以便形成线性约束条件的稀疏***，其可由以下形式的等式的线性***限定：

（等式5）

其中，δr’s和δt’s为取样时间τ₁至τ_n的轨迹校正，并且A子矩阵和b向量表示三种线性约束条件：匹配约束条件、平滑约束条件、以及初始条件。

稳健的统计框架使用基于柯西分布的权重，以便为异常值（outlier，离群值）提供稳健性（例如，上面生成的匹配无需全都正确）。然后将线性***的解决方法用作下一次迭代的起始点，其中，在下一次迭代中通过新输入的轨迹形成新的约束条件，以便产生改进的轨迹估计。该算法进行迭代，直到达到所限定的容差或最大数量的迭代。限定该算法的高级伪代码为上面引用的Bosse等人的论文中的算法1。

作为另一个实例，可如下描述另一个配准算法。另一个配准算法能够迭代地改善扫描器105的轨迹和表示该环境的表面，以使这些表面的激光测量的投影误差最小化。在已知先前的轨迹（最初源自定向传感器（例如，IMU145），并且随后源自先前迭代的输出）的情况下，所有激光点投射到一个共同的通用框架内。

设置具有特定分辨率（通常为.5m×.5m×.5m）的虚拟3D网格，并且将落在同一个网格单元内的任何激光点组合在一起。椭圆体适合于具有充分的团体关系的每组激光点。椭圆体的矩心和最小的特征向量限定了这个网格单元的最初平面（表面）。该组内的点与该平面的表面之间的误差（即，每个点与表面之间的距离）用于改善平面的位置和定向以及扫描器105的传感器头部的轨迹。

如上面引用的Bosse等人的论文中所述，通过对该轨迹进行二次抽样，并且将轨迹参考线性地内插在时间上最近的两个轨迹样本之间，将轨迹校正模型化。未知数的向量（x）包括轨迹二次抽样校正和表面模型校正的集合。每个轨迹二次抽样校正具有六个自由度（三个平移自由度，三个旋转自由度），而表面校正具有三个自由度：一个用于沿着表面法线进行平移，两个用于在与表面法线垂直的轴线上进行旋转。

然而，在Bosse等人的论文中所描述的工艺内，每个匹配约束条件包括两个轨迹参考（来自于每个匹配的椭圆体），与该论文不同，在本文中，每个约束条件包括一个轨迹参考和一个表面参考。每个有效的激光点具有一个表面约束条件。可通过与上述第一种方法相似的方式，限定平滑和初始条件约束。这三种约束条件可重叠，以便形成具有高级结构的线性约束条件的稀疏***，其与上面等式5内所限定的相似。（差别在于A_匹配矩阵的形式以及x向量的内容）。

从迭代重新加权的最小平方M-估计量构架内的约束条件的线性化***中求得轨迹和表面校正，其中，根据剩余误差r的柯西分布将表面约束条件加权，所述剩余误差限定为：

（等式6）

并且权重Wi基于如下每个剩余误差r_i：

w_{i} = \frac{1}{1 + \frac{{r_{i}}^{2}}{{rbar}^{2}}}

（等式7）

其中，rbar为限定A误差方面的软异常值阈值的可调参数。M估计量构架为标准的统计技术，用于稳健地优化存在异常值时的约束条件。

当权重总和的相对变化低于阈值时或已经完成固定数量的迭代时，终止优化。从二次抽样的校正中***全分辨率轨迹校正，并且重新投射激光点，用于随后的迭代并且用于最终的解决方法。

参看图5，根据本发明的一个实施例，总流程图示出了获得环境的三维扫描的方法。在步骤505中，测距设备连接至反应式连杆机构的第一端。例如，2D激光束扫描器105连接至盘簧110的第一端115。

在步骤510中，反应式连杆机构的第二端连接至物体。例如，盘簧110的第二端120连接至物体125。

在步骤515中，该物体在环境中移动，据此，物体相对于环境进行的加速由反应式连杆机构转换成测距设备相对于物体进行的运动，其增大了测距设备相对于环境的视场。例如，箭头130所示出的平移加速由盘簧110转换成箭头135所示出的2D激光束扫描器105的旋转运动。

在步骤520中，由测距设备获得限定环境的三维扫描的数据。例如，从环境内的表面中收集束140的激光雷达数据。

可选地，在步骤525中，计算机***与测距设备操作地耦接，其中，所述计算机***包括计算机可读介质，其存储限定配准算法的程序代码元件。例如，下面详细描述这种计算机***。

可选地，在步骤530中，使用计算机***处理所述数据，据此，配准算法限定环境的3D点云。

参看图6，方框图示出了根据本发明一些实施例的包括限定3D点云的计算机***600的***的元件。计算机***600包括用户界面605，所述用户界面与至少一个处理器610操作地耦接。存储器615也与处理器610操作地耦接。存储器615存储操作***620、应用程序625以及三维点云数据630。用户界面605可为用户界面（包括例如但不限于键区）和图形用户界面（GUI）（例如，计算机显示屏）的组合。网络界面卡640能够允许计算机***600通过有线或无线连接645与因特网等电子通信网络操作地耦接，或者与***100操作地耦接。要理解的是，图6仅仅用于进行阐述的目的，并且根据本发明的一些实施例，仅仅包括计算机***600的一些元件，而该图并非为可执行本发明的各种实施例的所有装置所需要的各种元件以及元件之间的连接的完整示意图。

存储器615还包括计算机可读程序代码元件635，其限定配准算法。例如，根据本发明的一些实施例，如上所述，当计算机可读程序代码元件635由处理器610处理时，将元件635构造成执行方法500的步骤530，以用于获得环境的3D扫描。

参看图7，示意图示出了根据本发明另一个实施例的3D扫描束***700的局部剖面侧视图。***700包括2D激光束扫描器705形式的测距设备，以及浮体710、流体715、和基底720形式的反应式连杆机构。反应式连杆机构的第一端725（其为浮体710的顶端的形式）连接至2D激光束扫描器705。反应式连杆机构的第二端730（其为基底720的形式）连接至物体（未显示）。盖体735（诸如弹性膜等）既用于将流体715保持在基底720内部，又可用于将浮体710锚固在基底720的中心中。

与上述非流体反应式连杆机构一样，根据***700，物体的平移加速（如箭头740所示）由反应式连杆机构转换成2D激光束扫描器105的旋转运动（如箭头745所示）。基底720与扫描器705之间的流体耦接因此可提供对扫描器705以多个自由度的运动的意图激励。本领域的技术人员会理解的是，基底720的其他加速，包括由于上下力和扭转或翻转扭矩造成的加速，也导致流体715在基底720内部“晃动”，并且因此导致扫描器105的大幅变化且伪随机三维运动。扫描器105以及相关束750的这种三维运动可用于扫描环境。

对于本领域的技术人员而言显而易见的是，本发明的方法的一些步骤可用于计算机程序代码内，并且各种编程语言和编码实施方式可用于执行本文中所描述的方法。而且，软件内所包含的计算机程序并非意在局限于本文中所描述的特定控制流，并且可并行地或连续地执行计算机程序的一个或多个步骤。在计算机程序控制的实施方式的背景中所描述的一个或多个操作可交替地用作硬件电子元件。

总之，本发明的实施例可用于各种应用中，包括机器人技术、测量、博弈、车辆安全、物体建模、使用探地雷达的岩石和土壤分析应用以及第一出动人员应用。使用本发明的***时，显然可更经济有效地执行诸如映射和/或定位、物体探测、以及成像等功能。

对于相关领域的技术人员而言，本发明的各种实施例的以上描述仅用作描述的目的。其意并非在于详尽地进行描述或者将本发明局限于单个公开的实施例。如上所述，对于上述教导内容的领域的技术人员而言，本发明的多个替代和变化显而易见。因此，虽然已经具体讨论了某些替换实施例，其他实施例也将是显而易见的，或者本领域的技术人员较为容易研发出这些实施例。因此，本专利说明书意在包括本文中已经讨论的本发明的所有替换、修改和变化，以及落在上述本发明的精神和范围内的其他实施例。

应基于权利要求书内所使用的语言广义地解释权利要求内的限制，并且这种限制不应局限于本文中所描述的特定实例。在本说明书内，术语“本发明”用作本公开内容内的一个或多个方面的引用。术语“本发明”不应不适当地理解为指代关键部件，不应不适当地理解为用于所有方面和实施例中，以及不应不适当理解为限制权利要求的范围。

Claims

1.一种三维扫描束***，包括：

测距设备；以及

反应式连杆机构，所述反应式连杆机构具有第一端和第二端，其中，所述第一端连接至所述测距设备，并且所述第二端连接至使所述***在一环境中移动的物体；

因而在使用中，所述物体相对于所述环境的加速由所述反应式连杆机构转换成所述测距设备相对于所述物体的运动，这增大了所述测距设备相对于所述环境的视场。

2.根据权利要求1所述的***，进一步包括定向传感器，所述定向传感器附接至所述测距设备。

3.根据权利要求1所述的***，进一步包括与所述测距设备操作地耦接的计算机***，其中，所述计算机包括计算机可读介质，所述计算机可读介质存储限定配准算法的程序代码元件，并且其中，所述配准算法处理来自于所述测距设备的数据，以便限定所述环境的3D点云。

4.根据权利要求1所述的***，其中，所述测距设备包括激光器。

5.根据权利要求4所述的***，其中，所述激光器包括二维扫描束激光器。

6.根据权利要求3所述的***，其中，所述3D点云被实时地限定。

7.根据权利要求1所述的***，其中，所述测距设备发送和接收以下类型信号中的至少一种：光信号、声信号、超声波信号、射频信号、伽玛辐射信号、微波信号。

8.根据权利要求1所述的***，其中，所述反应式连杆机构包括弹簧。

9.根据权利要求2所述的***，其中，所述定向传感器包括惯性测量单元（IMU）。

10.根据权利要求1所述的***，其中，所述反应式连杆机构的第一端与所述测距设备之间的连接为流体耦接。

11.一种获得环境的三维扫描的方法，所述方法包括：

将测距设备连接至反应式连杆机构的第一端；

将所述反应式连杆机构的第二端连接至物体；

使所述物体在环境中移动，因而所述物体的加速由所述反应式连杆机构转换成所述测距设备相对于所述物体的运动，这增大了所述测距设备相对于所述环境的视场；以及

通过所述测距设备获得限定所述环境的三维扫描的数据。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，定向传感器附接至所述测距设备。

13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：

将计算机***操作地耦接至所述测距设备，其中，所述计算机***包括计算机可读介质，所述计算机可读介质存储限定配准算法的程序代码元件；以及

使用所述计算机***处理所述数据，因而所述配准算法限定所述环境的3D点云。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述测距设备包括激光器。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述激光器包括二维扫描束激光器。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述3D点云被实时地限定。

17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述测距设备发送和接收以下类型信号中的至少一种：光信号、声信号、超声波信号、射频信号、伽玛辐射信号、微波信号。

18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述反应式连杆机构包括弹簧。

19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述定向传感器包括惯性测量单元（IMU）。

20.根据权利要求11所述的方法，其中，所述反应式连杆机构包括流体耦接。